© Bruce Logan,
Brenstoffzelle, die mit Abwasser und Bakterien betrieben wird. Zwischen den beiden Kammern links und rechts sitzt der Osmoseblock.
Mikroorganismen sind ein fester Bestandteil von Kläranlagen. Die Bakterien können aber nicht nur sauberes Wasser erzeugen, sondern auch elektrische Energie. Dazu benötigt man allerdings eine Art Brennstoffzelle, in der die Mikroben die organischen Bestandteile des Abwassers zersetzen. Besonders effektiv verläuft diese Art der Stromgewinnung, wenn die Brennstoffzelle mit einem Osmoseprozess gekoppelt wird. Das haben Forscher von der Pennsylvania State University herausgefunden. Mit ihren Verfahren können Bruce Logan und seine Kollegen bereits rund 75 Prozent der Strommenge gewinnen, die in einer Kläranlage normalerweise für die Reinigung des Schmutzwassers erforderlich ist.
Eine Idee wird geboren
In einer Mikroben-Brennstoffzelle nutzt man die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen zur Energiegewinnung. Die Apparatur besteht aus zwei Kammern, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. Eine der Kammern wird mit Abwasser gefüllt und mit einer Anode aus Graphit versehen, auf der sich die Bakterien ansiedeln. Beim Abbau der organischen Bestandteile des Schmutzwassers setzen die Mikroben Elektronen und positiv geladene Wasserstoffionen frei. Die Elektronen fließen über einen Stromkreis zu der gegenüberliegenden von Luft durchströmten Kathodenkammer, wo sie auf den vorhandenen Sauerstoff übertragen werden, der sich mit den Wasserstoff-Ionen zu Wasser vereinigt. Es entsteht eine elektrische Spannung. Bislang galt dieser Prozess, den die Forscher um Logan vor sieben Jahren erstmals vorstellten, jedoch als wenig effizient.
Osmose als Nachbrenner
Die Wissenschaftler haben die Leistungsfähigkeit ihrer Brennstoffzelle nun deutlich gesteigert, indem sie zwischen die beiden Kammern ein Umkehr-Elektrodialyse-System einbauten. Dabei handelt es sich um spezielle Membranen, die positiv und negativ geladenen Ionen in entgegengesetzte Richtungen wandern lassen. Üblicherweise werden solche Systeme mit Salz- und Süßwasser betrieben. Der Unterschied des chemischen Potentials der beiden Lösungen führt zu einer elektrischen Spannung.
Gesteigerte Ausbeute
Die Forscher verwendeten anstelle von Salz- und Süßwasser unterschiedlich konzentrierte Lösungen von Ammoniumbikarbonat - einem auch als Hirschhornsalz bekannten Backtriebmittel. Mit einem Osmose-Block, der insgesamt aus elf Membranen bestand und keinen Kontakt mit dem Abwasser hatte, erzielten die Forscher mit ihrer modifizierten Mikrobenbrennstoffzelle eine Stromausbeute von drei Watt pro Quadratmeter Elektrodenfläche (“Science“ , doi: 10.1126/science.1219330). Aus einem Kilogramm organischem Abfall konnte man auf diese Weise 0,94 Kilowattstunden an elektrischer Energie gewinnen.
Um die gleiche Menge Abwasser in einer Kläranlage reinigen zu können, benötigt man nach Angaben der Forscher rund 1,2 Kilowattstunden. Die Technik der amerikanischen Forscher könnte also helfen, die Betriebskosten von Klärwerken zu senken oder die Abwasserbehandlung in weniger entwickelten Regionen erschwinglich zu machen.
